Нефте - газо- водоносных пластов.

Поведение нефте-газо-водоносного месторождения в процессе его разработки и эксплуатации зависит от множества факторов; перечислим главнейшие из них:

1. Искусственно создаваемые условия разработки и эксплуатации – форма сетки скважин, расположение их на структуре и расстояние между ними, последовательность ввода скважин в эксплуатацию, система вскрытия пласта, глубина проникновения скважин в продуктивный пласт и их диаметры, темпы отбора жидкости и газа из скважин и т. д.

2. Структурно-тектонические особенности пласта.

3. Фациально-литологические свойства пласта.

4. Форма, протяжение, мощность и взаимное расположение скоплений газа, нефти и воды в пределах одного и того же пласта.

5. Физико-геологические и физико-химические свойства слагающих пласт горных пород, определяемые следующими, например, характеристиками: проницаемость, пористость, структура порового пространства, объемная снижаемость, избирательная смачиваемость и т. д.

6. Физические условия в пластах (давление, температура), а также физические и физико-химические свойства жидкостей, насыщающих пласт: удельный вес, вязкость, объёмная снижаемость, поверхностное натяжение (избыточная свободная поверхностная энергия) на границе твёрдой, жидкой и газообразной фаз, насыщенность нефти и воды газом, растворимость газа в нефти и воде, степень минерализации воды и т. д.

7. Химический состав нефти, воды и газа.

Под режимом пласта подразумевают характер проявления движущих сил в пласте, обуславливающих приток жидкостей и газов к эксплуатирующимся скважинам. Понятно, что режим пласта зависит от всей совокупности перечисленных выше факторов.

Для более детального анализа понятия «режим пласта» и для ознакомления с различными системами классификации режимов следует обратиться к курсам технологии нефтедобычи, нефте6промысловой геологии и специальной литературе .

Для подземной гидромеханики достаточно учесть существование 5 простейших режимов нефте-газо-водоносных пластов и дать им следующие определения:

1. Режим пласта называется водонапорным, если нефть или газ вытесняются в скважины под действием напора краевой или подошвенной воды, окружающей нефтяную или газовую залежь: по мере вытеснения нефти или газа в скважины вода проникает в ранее занимавшуюся ими часть залежи; контур нефтеносности или контур газоносности непрерывно стягиваются. При разработке нефтяного месторождения в условиях чисто водонапорного режима предполагается, что уровень жидкости в скважине находится выше кровли пласта и в пласте весь газ растворён в нефти (скопления свободного газа и пузырьки окклюдированного газа отсутствуют); водонапорный режим нарушается, если пластовое давление снижается ниже давления насыщения и, следовательно, газ в пласте начинает выходить из раствора. Эксплуатация водоносных артезианских пластов происходит в условиях водонапорного режима.

2. Режим пласта называется газонапорным, если нефть или вода вытесняются в скважины под действием напора сжатого газа, находящегося в свободном состоянии (в виде так называемой газовой шапки) над нефтью или водой. В условиях чисто газонапорного режима, в процессе отбора из месторождения нефти и воды, контур газоносности непрерывно расширяется; при этом выделения в пласте пузырьков окклюдированного газа не происходит (следовательно, во всех точках пласта давление выше давления насыщения).

При разработке чисто газового месторождения или при отборе газа из газовой залежи, подстилаемой нефтью и водой, но при отсутствии существенного продвижения воды и нефти (например, в условиях замкнутого подземного резервуара, когда нет связи с областью питания) также можно говорить о газонапорном или газовом режиме пласта.

3. Режим пласта называют «режимом растворённого газа», если давление в пласте снижается ниже давления насыщения, газ выходит из раствора и пузырьки окклюдированного газа, расширяясь, вытесняют нефть к скважине. В условиях этого режима в пласте движется неоднородная жидкость – нефть с пузырьками окклюдированного газа.

4. Режим пласта называется гравитационным в двух случаях:

а) в нефтеносном пласте имеется свободное зеркало нефти или в водоносном пласте – свободное зеркала воды («воды со свободной поверхностью», см. предыдущий параграф); давление на свободном зеркале нефти или воды равно атмосферному. статистический уровень жидкости в скважине расположен ниже кровли паста (или непроницаемая кровля совершенно отсутствует для первых сверху водоносных пластов). При снижении уровня в скважине жидкость движется к ней по пласту под действием собственной силы тяжести; все точки свободного зеркала нефти или воды вокруг скважины расположены выше динамического уровня жидкости в скважине;

б) нефть и вода залегают в крутопоставленном пласте, пласт снизу выклинивается и связь с областью питания снизу отсутствует. Жидкость притекает к скважинам под действием силы тяжести; статическое давление на забое скважины определяется высотой, на которую простирается залежь вверх по восстанию пласта. Статический уровень жидкости в скважине расположен выше отметок кровли пласта в окрестности скважины.

В первом случае режим пласта может быть назван «гравитационным со свободным зеркалом жидкости»; во втором случае – «напорногравитационным».

5. Режим пласта называется упругим, если существенное влияние на поведение паста и скважин в процессе их эксплуатации оказывает объёмная упругость не только газа, но нефти, воды и самого пласта. Строго говоря, этот режим самостоятельно не следует выделять; наоборот, нужно считать, что он может сопутствовать каждому из четырёх перечисленных выше типов режимов. В зависимости от величины общего объёма пор, занятых водой и нефтью, от степени замкнутости пласта, от общего объёма пласта и величины начального пластового давления (чем больше упомянутые объёмы и чем больше начальное пластовое давление, тем большее влияние оказывают упругость нефти и воды и сжимаемость самого пласта) всегда можно оговорить: буде ли один из перечисленных выше режимов представлен в чистом виде или будет осложнён проявлениями упругого режима. При наличии соответствующей оговорки можно, например, назвать водонапорным и при этом учитывать упругость воды, нефти и пласта, но можно соответствующий режим называть упруговодонапорным.

Водонапорный и газонапорный режимы объединяются часто в одну группу под названием «режимы вытеснения». Последний термин подчёркивает, что при разработке нефтяных месторождений в условиях упомянутых режимов «извне» приложенное давление газа или воды вытесняет нефть в скважины.

Несколько схематизируя истинные условия, можно утверждать, что в процессе разработки нефтяных пластов с чисто водонапорным или чисто газонапорным режимами всегда имеются две области, поры каждый из которых наполнены однородной жидкостью: в первом случае в одной области находится только нефть, а в другой – только вода; во втором случае в одной области – нефть, а в другой – газ.

При этой схематизации игнорируются существование связанной воды внутри начального контура нефтеносности, неполное извлечение нефти из пор той области, в которую вторгаются газ или вода, а также наличие переходных зон в областях контакта газа, нефти и воды. Однако такая схематизация полезна, ибо на её основе можно математически точно решать соответствующие задачи подземной гидравлики (внося в них затем исправления за счёт упомянутых факторов); кроме того, ярче выступают особенности режима растворённого газа, при котором в пласте движется неоднородная смесь жидкости с газом.

Пласты, разрабатывающиеся в условиях водонапорного режима, чаще всего представляют собой естественные подземные резервуары «открытого типа» (имеющие связь с областью питания, см. дальше). Наоборот, режим растворённого газа и газонапорный характерны обычно для подземных резервуаров «закрытого типа» (не имеющие связи с областью питания).

В естественных подземных резервуарах открытого типа различают область питания, область напора и область естественного стока; все три области, вместе взятые, составляют так называемую пластовую водонапорную систему.

В области питания – в местах выхода пласта на дневную поверхность – в пласт просачиваются (инфильтруются) речные и ледниковые воды, а также воды атмосферных осадков. В проточных артезианских пластах обязательно должна существовать и область естественного стока, где артезианские воды выходят на дневную поверхность в виде источников или где они смешиваются с водами вышележащего горизонта. В неподвижных артезианских бассейнах область стока отсутствует – пласт либо выклинивается, либо ограничивается сбросом или поверхностью несогласного налегания, либо, наконец, область питания охватывает пласт со всех сторон (например, чашеобразная мульда, см. следующий параграф). Пластовые водонапорные системы могут пополняться водами и через тектонические трещины (иногда глубинными водами) и частично через плохо проницаемые кровлю или подошву пласта. Часто разработка залежи нефти и газа протекает в условиях режима растворённого газа или газонапорного режима даже тогда, когда нефть и газ подпираются краевой и подошвенной водой и связь с областью питания не нарушена, т.е. когда газ, нефть и вода залегают в естественных подземных резервуарах открытого типа. В этих случаях водонапорный режим может нарушиться по следующим, например, причинам: проницаемость пласта плохая, начальное пластовое давление лишь немного превышает давление насыщения, темпы отбора нефти несоразмерно велики и т. д. .

Вообще следует подчеркнуть, что ни приведённая выше и никакая иная более сложная классификация режимов не в состоянии учесть и предусмотреть всех особенностей, с которыми приходится сталкиваться в реальных условиях. достаточно указать на то, что при разработке залежи нефти в разных её частях иногда одновременно существую разные режимы; в других случаях наблюдается последовательная смена режимов в процессе разработки одной и той же залежи и т. д.

Все же, памятуя об этих оговорках, приведённую выше классификацию режимов нефте-водо-газонасосных пластов можно принять за основу при решении задач подземной гидромеханики.

В заключении заметим, что наибольшая отдача нефти из пласта и наиболее выгодные условия эксплуатации скважин получаются в условиях водонапорного режима. Поэтому при разработке нефтяных месторождений всегда стараются поддержать, восстановить или искусственно создать условия водонапорного режима (путём закачки в пласт газа, воздуха или воды).